Vegetationsmanagement

Damit eine störungsfreie Versorgung gewährleistet werden kann, findet ein regelmäßiges Freileitungs-monitoring statt, bei dem sowohl eine visuelle Inspektion der Leitungen, Masten und Isolatoren erfolgt, wie auch Gefahren durch umliegende Vegetation beurteilt werden. Die Alpiq EnerTrans AG, ein führendes Unternehmen für Hoch- und Mittelspannung in der Schweiz und Dienstleister für Wartungen, Inspektionen, Instandsetzung und Optimierungen für  Hochspannungsnetze, setzt für diese Aufgaben den Aibot X6 V2 UAV (Unmanned Aerial Vehicle)  der  Aibotix GmbH ein.

Unter Vegetationsmanagement wird sowohl das regelmäßige Monitoring der Vegetation an wichtiger Infrastruktur wie z.B. Stromleitungen, Pipelines oder Bahntrassen, wie auch die Planung der daraus entstehenden Wartungsarbeiten verstanden. Ziel des Monitorings ist es, den Abstand zwischen der Vegetation und den Stromleitungen zu ermitteln und zu kontrollieren ob die geforderten Mindestabstände eingehalten werden. Dieser Mindestabstand ist entscheidend, da die Leitungen nicht mit einem Isolator ummantelt sind, sondern die Luftstrecke rund um die Leitungen als Isolator fungiert. Eine elektrische Isolation mit Kunststoffbeschichtungen wie sie bei Niederspannungskabeln angewendet wird ist zwar möglich, würde aber aufgrund der hohen Spannungen eine sehr hohe Dicke der Isolationsschicht erfordern.

Erd- oder Kurzschlüsse, die durch die Unterschreitung der Mindestabstände zwischen Vegetation und Stromleitung hervorgerufen werden, bergen die Gefahr eines Brandes oder einer starken Beschädigung, die zum vollständigen Abriss der Trasse führen können. Damit es zu keinem Ausfall kommt, müssen diese Abstände regelmäßig überprüft werden. Die Mindestabstände werden dabei anhand der Betriebsspannung und den gesetzlichen Vorgaben ermittelt. Netzbetreiber definieren in der Regel noch einen eigenen Offset, welcher auf den staatlichen Mindestabstand addiert wird. Dadurch können sich die Vorgaben bei den einzuhaltenden Mindestabständen unter den Netzbetreibern unterscheiden.

Bisher überprüft die Alpiq EnerTrans AG den Abstand zwischen Vegetation und Leitung durch Fachpersonal, welches vom Boden aus die Abstände schätzt und bei Bedarf die Masten besteigt, um kritische Abstände zwischen der Vegetation und den Stromleitungen zu identifizieren. Dieses Verfahren des Stromleitungsmonitorring ist sehr zeit- sowie kostenaufwendig und liefert keine ausreichend genauen Ergebnisse. Auch eine Archivierung der Monitoring Ergebnisse ist nur mit großem Aufwand und manuellen Tätigkeiten möglich. Desweitern kommt oftmals erschwerend hinzu, dass die Stromtrassen in schwer zugänglichen Gebieten liegen und stark eingeschränkt erreichbar sind. Alternativ zu dieser Methode wurden die Trassen in der Vergangenheit mit einem Helikopter beflogen, welcher mit unterschiedlichster Sensorik wie Infrarot-, Korona-, RGB-Kameras sowie Laserscannern ausgestattet ist. Auch diese Methode ist kosten- und personalintensiv, da keine kritischen Punkte einzeln angeflogen sondern nur ganze Teile des Streckennetzes abgeflogen werden können.

Um das Freilandleitungsmonitorring effizienter, präziser und punktueller umsetzen zu können, setzt die Alpiq EnerTrans AG nun auf den Einsatz des Aibot X6 UAV. Mit der fliegenden Multisensorplattform wird die Detailgenauigkeit der helikoptergestützten Vermessung und Flexibilität der Untersuchung durch Bodenpersonal kombiniert. Um alle für die Analyse relevanten Daten detailgenau festzuhalten, ist der Aibot X6 mit der vollintegrierten Sony Alpha 7R und  einem 28mm Objektiv ausgestattet. Die Auflösung des Vollformat CMOS-Sensors mit 7.360x4.192 Bildpunkten (36,4 Megapixel) stellt sicher, dass bei den Bildern der höchstmögliche Detailgrad erreicht wird.

Die Planung des Monitorings beginnt, sofern das Areal noch nicht bekannt ist, mit der Besichtigung des zu befliegenden Abschnittes, damit eine geeignete Start- und Landeposition und potentielle Gefahrenpositionen ermittelt werden können. Dies ist besonders entscheidend, um im folgenden Arbeitsschritt einen optimalen Weg-Punkt-Flug planen zu können, welcher dann von dem Hexakopter Aibot X6 autonom abgeflogen werden kann. Um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen, wird das UAV zusätzlich durch das Aibot HP GNSS 2 RTK/GNSS-Modul (L1/L2) von Aibotix referenziert, wodurch die aufgenommenen Bilder mit einer Genauigkeit von 1-3cm noch exakter mit Geokoordinaten versehen werden können. Zum Einsatz kommt hier eine Lösung auf Basis von NovaTel und Leica Geosystems Technologie.

Mit der hauseigenen Software Aibotix AiProFlight zur Missionsplanung und Kommunikation wird das zu kontrollierende Gebiet markiert und die für den UAV optimale Route errechnet. Zudem besteht die Möglichkeit, mit Hilfe der TeachIn-Funktion der Aibotix AiProFlight Flugrouten manuell anzulernen und automatisiert wiederholen zu lassen. Für ein exaktes Ergebnis muss bei der Planung darauf geachtet werden, dass das Profil des Wegpunktfluges dem Höhenprofil des Terrains anpasst wird, um eine konstante Entfernung zum Boden beizubehalten und somit eine einheitliche Ground Sampling Distance (GSD) der Bilder zu erhalten. Die Alpiq EnerTrans AG nutzt zum Kontrollieren ihrer Trassen eine GSD von 2,5-5cm, um möglichst genaue Daten zu erhalten.

Nach der Befliegung der Stromleitung beginnt die Weiterverarbeitung der Daten. Die aufgenommenen Einzelbilder werden mit den GPS-Daten des Logfiles aus dem UAV mit der Aibotix AiProFlight georeferenziert, eine Punktwolke errechnet und mit den konstruierten Modellen der Strommasten und Stromleitungen erweitert. Bei der Leitungsmodellierung wird der maximale Leiterseildurchhang angenommen, um den geringsten Abstand zwischen Stromleitung und der Vegetation zu ermitteln

Im nächsten Schritt wird die kombinierte Punktwolke mit Vegetation und Leitungen per Software auf Mindestabstände durch picterra GmbH ermittelt und Unterschreitungen zwischen Vegetation und Stromleitungen in der Punktewolke markiert.

Aus dem Modell wird ein Situationsplan erzeugt, welcher die Gefahrenpunkte sowie Parzellengrenzen und -nummern, Straßen, Wege, Leitungen und Mastbezeichnungen aufzeigt. Anhand des Situationsplans können die Koordinaten der Gefahrenstellen eindeutig lokalisiert werden. Durch den Einsatz des Aibot X6 UAV hat Alpiq nun die Möglichkeit, die Abstände zwischen den Stromleitungen und der umliegenden Vegetation auf bis zu ±30cm genau zu bestimmen, um einen reibungslosen Betrieb der Trassen zu gewährleisten.

Das gesamte Monitoring kann nun von einer kleinen Crew durchgeführt werden, da neben einem Piloten nur eine weitere Person benötigt wird, um die HD-Liveübertragung auf dem Aibotix Ai DLVP zu betrachten. Der Kostenvorteil gegenüber eines Helikopters und der dazugehörigen Crew sowie der aufwendigen Sensorik liegt auf der Hand. Ein weiterer Vorteil durch den Einsatz eines UAV ist die Möglichkeit, präzise Daten wieder und wieder zu generieren um nicht nur Momentaufnahmen zu kreieren, sondern aus den gewonnenen Daten einen Längsschnitt für eine Langzeitstudie zu generieren.

Der Aibot X6 als fliegende Multisensorplattform bietet zudem die Möglichkeit, andere Messmethoden anzuwenden. So überlegt die Alpiq EnerTrans AG den Workflow um eine Multispektralkamera, wie die Parrot Sequoia, zu erweitern, um den NDVI (Normalized Differenced Vegetation Index) der Vegetation bestimmen zu können. Dadurch können Regionen identifiziert werden, die aufgrund stärkeren Pflanzenwachstums, häufiger inspiziert werden müssen. Durch diese Arbeitsweise würden aufwendige, großflächige und teure Inspektionen mit Hubschraubern überflüssig werden, da Areale in denen die Oberleitungen von der Vegetation bedroht werden punktgenau vorhergesagt werden können. Zudem arbeitet man an einer Möglichkeit, den Aibot X6 um einen LiDAR-Sensor (Light detection and ranging-Sensor) zu erweitern um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen. Durch den Einsatz eines LiDAR-Sensors kann der UAV aus der Luft millimetergenaue Punktwolken generieren und somit noch präziser arbeiten.

Die Vorteile beim Sammeln der Daten für das Trassenmanagement mit einem UAV sind nicht nur die Senkung der Kosten und Steigerung der Sicherheit. Vielmehr ist das UAV basierte Freilandleitungsmonitoring um ein vielfaches flexibler und ermöglicht punktuelles sowie höchstpräzises Vegetationsmanagement. Während bei einer Vorortbesichtigung oder dem Einsatz eines Helikopters nur Momentaufnahmen aufgezeichnet werden, generiert der Workflow mit einem UAV Daten, aus denen verschiedenste Szenarien simuliert und analysiert werden können. Dadurch ist es nicht nur möglich einen Ist-Zustand zu erkennen, sondern auch detaillierte Prognosen zu treffen.

„Der Flugroboter von Aibotix unterstützt Alpiq EnerTrans AG optimal in der Erfüllung unserer anspruchsvollen Inspektionsaufgaben. Ein Gerät für Profis von Profis!“
- Rudolf Meier, Geschäftsführer der Alpiq EnerTrans AG

Mit dem innovativen Ansatz der Alpiq EnerTrans AG, Vegetationsmanagement durch den Einsatz des Aibot X6 UAVs zu präzisieren und modernisieren, arbeitet das Unternehmen nicht nur effizienter, es kann sich nun zudem auf solide Daten verlassen um störungsbedingten Ausfällen entgegenzuwirken.